EP2878018B1 - Energiespeichervorrichtung - Google Patents

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EP2878018B1
EP2878018B1 EP13742214.3A EP13742214A EP2878018B1 EP 2878018 B1 EP2878018 B1 EP 2878018B1 EP 13742214 A EP13742214 A EP 13742214A EP 2878018 B1 EP2878018 B1 EP 2878018B1
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storage cell
heat
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Georg Walder
Moritz Steffan
Martin R. Hammer
Peter Burda
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Invenox GmbH
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to an energy storage device for a vehicle and in particular to a device for contacting and cooling of electrical energy storage cells of the energy storage.
  • Fig. 1 shows a conventional energy storage as used for example in electric road vehicles.
  • conventional energy storage, or battery pack for automobiles round, pouch or prismatic battery cells are used, which have electrical poles on the top or bottom.
  • the electrical connection between the individual battery or energy storage cells is mainly produced by resistance welding.
  • a pole P of the energy storage cell ESZ is connected by spot welding, each with a plurality of welding points SP, for example, with a so-called Hiluminband HB.
  • the Hilumin HB is made of Hilumin, ie, nickel-plated steel, and has a higher electrical resistance than the housing parts of the battery storage cells, which are welded.
  • the higher electrical resistance of the hilum HB is necessary so that a welding current flows from Hiluminband to the battery housing of the respective energy storage cell and back to the Hiluminband HB and does not drain directly on the Hiluminband HB.
  • a generated from the energy storage cells ESZ respectively heat flow Q • discharged via the lateral surface.
  • the cooling of the energy storage cells ESZ can be done for example via air or liquid cooling.
  • the welded battery pack or the welded energy storage cells are enclosed in an electrically non-conductive housing G of the energy storage device.
  • the electric current I flowing out of the energy storage cells is dissipated via the poles P of the energy storage cell ESZ and the welding points SP onto the hilum band HB of the energy storage device.
  • the Hiluminband HB of the conventional energy storage device has a higher electrical resistance than in electrical conductors otherwise usual and thus increases the total internal resistance of in Fig. 1 illustrated conventional energy storage.
  • a welding process for contacting the energy storage cells with the Hiluminband HB necessary.
  • the conventional energy storage device, as in Fig. 1 is shown, due to the large number of integrated therein energy storage cells ESZ in the manufacture of a variety of welding processes for making the contact one for the plurality of energy storage cells ESZ. Therefore, the welding process for contacting a complete battery pack with a plurality of energy storage cells ESZ is very time consuming. Furthermore, ensuring a consistent quality of welded joints is technically complex. In addition, the cell can be damaged during the welding process by the heat input into the cell.
  • the conventional energy storage device as used in Fig. 1 is shown, the disadvantage that a cooling of the energy storage cells ESZ takes place exclusively on the lateral surfaces of the respective energy storage cells ESZ.
  • the energy storage cell ESZ can indeed be cooled from the outside, but a certain temperature gradient forms towards the interior of the energy storage cell, ie the temperature in an energy storage cell ESZ drops outwards starting from the middle of the energy storage cell ESZ.
  • This temperature gradient within an energy storage cell leads to uneven aging of the battery or energy storage cell ESZ.
  • Cooling inside the energy storage cell is in accordance with the conventional arrangement Fig. 1 not possible, since cooling can not take place via the weld contacts.
  • electrical energy can be dissipated via the welding points, the heat flow which can be dissipated via the welding points SP is very small relative to the outer edge of the housing G.
  • the US 2010/104935 A1 describes a device for heat dissipation of battery modules.
  • Individual energy storage cells of the battery modules each have a first contact strip and a second contact strip, which can be connected to the plus or the minus pole of the energy storage cell.
  • the poles of the energy storage cells are each connected to a circuit board.
  • the DE 10 2009 018787 A1 describes a battery module with several cells connected to each other, each having a positive and a negative terminal.
  • the individual cells are connected in pairs in parallel and the pairs are connected in series.
  • the cells are energy storage cells.
  • connection board with connection slots, in which electrode tabs of energy storage cells can be inserted, where they can be contacted by means of contact elements.
  • the interconnect board has conductive busbars which are separated by electrically non-conductive areas from a heat conducting layer.
  • the device according to the invention has the advantage that the heat generated in the energy storage cells is dissipated not only by the lateral surfaces of the energy storage cells, but also over a large area on the thermally conductive contact elements.
  • each flat contact elements of a flexible material between the respective pole of the electrical energy storage cell and the respective circuit board provided.
  • the flat contact elements are fixed to the electrical energy storage cell or the printed circuit board connected. This can be done for example by a screen printing process.
  • the flat contact elements arise only within the fully assembled battery pack by a pasty, hardening mass is introduced into the gap between the electrical energy storage cell and circuit board prior to assembly.
  • the thermal resistance of the respective flat contact elements is low, so that heat is derived efficiently from the electrical energy storage cells efficiently and the energy storage cells are thus better cooled .
  • the contact elements are made of a flexible material, they also offer a good electrical and vibration-proof connection or contacting.
  • the area of the contact elements is relatively large in relation to the size of the energy storage cell, whereby an effective heat dissipation is promoted.
  • the electrical energy storage cells are mounted at their poles each with a certain contact force between two printed circuit boards.
  • an electrical and thermal contact can be ensured.
  • the clamping of the electrical energy storage cells of the energy storage between the circuit boards has the advantage of easy installation.
  • the lateral discharge of the electrical current supplied by the energy storage cells makes it possible to simplify the electrical charge delivered by the energy storage cells Way are derived from the energy storage via laterally mounted electrical contacts.
  • the electrically insulating intermediate layer of the printed circuit board consists of a thermally conductive material of low material thickness in relation to the remaining layers of the printed circuit boards.
  • electrical fuse elements are provided for overcurrent protection in the electrically and thermally conductive first layer of the circuit board.
  • the printed circuit board serves at the same time as a structural element or outer wall of the housing.
  • the electrical energy store has a plurality of energy storage cells, which are connected in parallel in an energy storage cell group. As a result, the capacity of the electric energy storage can be increased.
  • a plurality of energy storage cell groups are connected in series in the energy store. As a result, the voltage provided by the electrical energy store can be increased.
  • the serially interconnected energy storage cell groups of the energy store are each connected via sense lines, which are provided in the circuit board, with an electronic monitoring unit which an on each of the energy storage cell groups of the energy storage monitors applied voltage.
  • the contacting of the sensor lines to the energy storage cells can be considerably facilitated without the need for additional cables to the electronic monitoring unit.
  • the sense lines can be easily taken into account in the board layout of the circuit board. This has the consequence that a separate contacting of the sensor lines is not necessary and thus the cabling effort and manufacturing costs is significantly reduced.
  • sensor cables such as sensor cables for temperature sensors.
  • an electrical fuse element for overcurrent protection in or on the first layer of the printed circuit board is provided for each energy storage cell group or for each individual energy storage cell of an energy storage cell group.
  • the device according to the invention is that of an energy storage cell or detected by an energy storage cell group of the energy storage heat detected by at least one associated temperature sensor, which is provided on the circuit board and reports the detected temperature to the electronic monitoring unit of the energy storage.
  • the temperature sensors can be taken into account in the layout of the contacting board and provided there directly. As a result, the cost of producing the energy storage decreases in addition.
  • compensating resistors for converting excess charge of energy storage cells of the energy storage are provided in heat, wherein the heat generated by the balancing resistors will deliver over the electrically and thermally conductive contact element to the circuit board.
  • the direct dissipation of the heat to the thermally conductive contact element, a balancing performance of the energy storage can be significantly increased and thus has no effect on the dynamics of a load of the energy storage.
  • the heat given off by the compensation resistances is uniformly distributed over the printed circuit board consisting of thermally conductive layers for preheating the energy store, in particular at low ambient temperatures. This has the advantage that no separate heating cable must be provided by a heat source for preheating the energy storage.
  • the invention further provides a vehicle with an energy storage device having the features specified in claim 14.
  • the inventive device 1 in the in Fig. 2 illustrated electrical energy storage cells 1-1, 1-2, wherein the energy storage cells 1-1, 1-2 each have two electrical poles 2, 3.
  • the first electrical energy storage cell 1-1 has a first and a positive electric pole 2-1 and a second and negative electric pole 3-1, respectively.
  • the second energy storage cell 1-2 has a first positive pole 2-2 and a negative electrical pole 3-2.
  • At the two negative poles 3-1, 3-2 is also a contact element 5-1, 5-2 provided, as in Fig. 2 shown.
  • the contact elements 4-1, 4-2, 5-1, 5-2 form connection elements having an elastic bonding material which is electrically and thermally conductive and its elastic deformation from the change of a longitudinal extent in a direction perpendicular to the contact surfaces of the battery poles the energy storage cells 1-1, 1-2 refers.
  • the surface of a battery is completely or partially covered by the elastic contacting material and is thereby protected from contact with moisture.
  • the contact elements or attachment elements can be glued or fastened in other ways.
  • the elastic contacting material of the contact elements 4-1, 4-2, 5-1, 5-2 consists of a mixture of elastomer and metal particles.
  • the metal particles have a surface coating. This surface coating can be applied galvanically or not galvanically.
  • the energy storage cells 1-1, 1-2 consist in a possible embodiment of battery cells. Furthermore, the energy storage cells 1-1, 1-2 can also be rechargeable accumulator cells. The energy storage cells 1-i can also be physical energy stores, in particular capacitors. In one possible embodiment, the energy storage cells 1-1, 1-2 have a cylindrical construction and each have a lateral surface (FIG. Fig. 7A shows a cylindrically structured energy storage cell 1-i). The energy storage cells 1-1, 1-2 can, as in Fig. 2 shown used in a support structure 6, for example, of an electrically insulating Plastic material exists.
  • the material of the support structure 6 is thermally conductive, so that the heat present on the jacket surfaces of the energy storage cells 1-1, 1-2 can flow off as a heat flow Q • m via the support structure 6.
  • the supporting structure can lead a cooling medium (air, water, etc.).
  • the support structure 6 has cylindrical recesses into which cylindrically structured energy storage cells 1-i can be accurately inserted.
  • the energy storage cells 1-1, 1-2 used are preferably used interchangeably in the support structure 6.
  • the upper and lower contact elements 4-1, 4-2 and 5-1, 5-2 are provided.
  • the energy storage cells 1-1, 1-2 are connected via the upper contact elements 4-1, 4-2 with a first circuit board 7 and the lower contact elements 5-1, 5-2 with a lower circuit board 8 electrically and thermally conductive
  • the printed circuit boards 7, 8 each serve to separate the electric current I obtained from the energy storage cells 1-i via the contact elements from a heat flow Q • s obtained via the contact elements. How to get out Fig. 2 can recognize, starting from the end faces of the electric storage cells 1-i each a second heat flow Q • s flows through the thermally conductive contact elements 4, 5 of the upper and lower circuit board 7, 8.
  • the circuit boards 7, 8 are constructed such that they have a from an energy storage cell via a contact element obtained electrical current I from a heat flux Q • s obtained via the contact element.
  • the upper circuit board 7th has a thermally conductive and electrically conductive first layer 7-1, which rests directly on the upper contact elements 4-1, 4-2.
  • This first electrically conductive layer 7-1 leads laterally through the electrical current I flowing via the contact elements 4-1, 4-2, as in FIG Fig. 2 shown.
  • the electrically and thermally conductive layer transmits the 7-1 via the contact elements 4-1, 4-2 respectively flowing heat flow Q • s to a second heat-conducting layer 7-2 of the circuit board 7.
  • the second thermally conductive layer 7-2 the printed circuit board 7 outputs the heat flow Q • s received from the first layer 7-1 to an environment or to a cooling medium, as in FIG Fig. 2 shown.
  • a cooling medium as in FIG Fig. 2 shown.
  • an electrically insulating intermediate layer 7-3 which is necessary if the second thermally conductive layer 7-2 electrically conductive is.
  • the thickness d1 of the first electrically and thermally conductive layer 7-1 may be in a range of, for example, 20 to 500 ⁇ m.
  • the thickness d2 of the second at least thermally conductive layer 7-2 may be, for example, in a range of, for example, 1 to 5 mm, ie the second thermally conductive layer 7-2 of the printed circuit board 7 is thicker in a preferred embodiment than the first electrically and thermally conductive Layer 7-1 of the first printed circuit board 7.
  • the intermediate intermediate layer 7-3 has a thickness d3, which in a preferred embodiment is relatively thin, the thickness d3 being smaller than the thickness d1 and the thickness d2 of the two remaining layers 7-1, 7-2 of the printed circuit board 7 is.
  • the intermediate layer 7-3 consists of an electrically insulating material, which is also thermally conductive, so that the heat flow Q • s can flow through them, as in Fig. 2 shown. In one possible embodiment, the intermediate layer 7-3 has a thermal conductivity of at least 0.1 watts per Kelvinmeter.
  • the lower circuit board 8 can, as in Fig. 2
  • the first thermally and electrically conductive layer 8-1 corresponds to the first layer 7-1 of the upper printed circuit board 7.
  • the second thermally conductive layer 8-2 of the lower printed circuit board 8 corresponds to FIG Layer 7-2 of the upper printed circuit board 7.
  • the electrically insulating and simultaneously thermally conductive intermediate layer 8-3 of the lower printed circuit board 8 corresponds to the intermediate layer 7-3 of the upper printed circuit board 7.
  • the two circuit boards 7, 8 are each constructed of three layers.
  • the two circuit boards 7, 8 each only two layers, namely an electrically and thermally conductive layer 7-1 and a second electrically insulating, thermally conductive layer 7-2 and 8-2.
  • This embodiment has the advantage that on an intermediate layer, in particular those in Fig. 2 shown intermediate layers 7-3, 8-3 can be omitted.
  • the offers in Fig. 2 illustrated embodiment has the advantage that the first and second layers of the two circuit boards can both be made of an electrically and thermally conductive material, which are separated by an electrically insulating layer 7-3 and 8-3.
  • electrically conductive materials are usually also very good thermal conductors of heat flow Q • s can be delivered better from the cell to the environment compared to the two-layer embodiment.
  • the electrically conductive and thermally conductive material which is used in particular in the electrically conductive and thermally conductive layer 7-1 or 8-1 of the two printed circuit boards 7, 8 may be a metal and, in particular, can be Copper, silver or gold.
  • the two layers 7-2, 8-2 of the two printed circuit boards 7, 8 may for example consist of a electrically conductive and thermally conductive material, preferably a metal, for example aluminum, or a thermally conductive, electrically insulating material, for example a plastic consist.
  • an electrically insulating intermediate layer 7-3, 8-3 is additionally required, for example, of a plastic, such as epoxy or a ceramic material, such as alumina may exist.
  • the contact elements 4-1, 4-2 and 5-1, 5-2 consist for example of a conductive elastomer, in particular silicone.
  • the three layers 7-1, 7-2, 7-3 of the first circuit board 7 and all three layers 8-1, 8-2, 8-3 of the second circuit board 8 are made of a thermally conductive material having a conductivity of preferably more than 10 watts per KelvinMeter.
  • the energy storage cells 1-i and their flexible contact elements 4, 5 are clamped between the two printed circuit boards 7, 8 and held in the support structure 6.
  • the mechanical force with which the energy storage cells 1-i and the contact elements 4, 5 are clamped thereby, can preferably be achieved by a predefined mechanical bias.
  • the two circuit boards 7, 8 can be held in the biased position relative to the energy storage cells in a possible embodiment by a suitable mechanical connection, for example by screwing or gluing.
  • the energy storage cells which are located on the support structure 6, electrically and thermally connected at its two poles on the flat contact elements with the two circuit boards 7, 8.
  • the layers 7-1, 8-1 of the two printed circuit boards 7, 8 are provided for the power supply between the individual energy storage cells 1-i in the energy storage network.
  • the base material of the printed circuit boards 7, 8 is made of a material with high thermal conductivity similar or comparable to the thermal conductivity of metal. If the base material of the two circuit boards 7, 8 is electrically conductive, the circuit board has an electrically insulating intermediate layer 7-3, 8-3, as in the embodiment according to Fig. 2 shown.
  • the heat can be conducted via the contact element and the two printed circuit boards 7, 8 with a low thermal resistance from the interior of the energy storage cells 1-i over the various layers of the printed circuit boards 7-8 and to the outside or to a cooling medium, for example air or water, be delivered.
  • the frontal heat flow Q • s flows preferably at the end faces of the energy storage cells 1-1, 1-2, as in Fig. 2 shown.
  • heat also flows from the interior or core of the energy storage cells 1-i, so that the temperature gradient between the interior of the energy storage cell and the lateral surface of the energy storage cell is minimized.
  • the minimization of the temperature gradient causes the various energy storage cells 1-1, 1-2 to age less unevenly within the energy store.
  • a lateral heat flow from the energy storage cells 1-i preferably additionally takes place via the jacket thereof to the thermally conductive support structure 6, which is the heat flow Q • m in Fig. 2 is indicated.
  • a front-side heat flow Q • thus takes place on the one hand s via the thermally conductive contact elements 4, 5 and a heat dissipation on the outer surfaces of the energy storage cells 1-i in the support structure 6 as a heat flow Q • m.
  • this increases the amount of heat removed by the two different heat flows Q • s , Q • m .
  • This causes the energy storage cells within the energy storage device to be cooled more efficiently.
  • the packing density of the energy storage cells 1-i within an electrical energy store can also be increased significantly.
  • the contact surfaces on the end faces of the energy storage cells 1-i can correspond in one possible embodiment of the entire surface of the end face of the respective energy storage cell 1-i, so that the contact surface for both the electric current I and the heat flow Q • s is large and the corresponding electrical thermal resistance is small.
  • the two outer layers 7-2, 8-2 of the two printed circuit boards 7, 8 are substantially thicker than the two remaining layers of the respective printed circuit boards 7, 8.
  • the outer layers 7-2, 8-2 of the two printed circuit boards 7, 8 are at least 1 mm thick. This makes it possible, in one possible embodiment, to provide recesses or grooves on the outer surfaces of the outer layers 7-2, 8-2 in order to increase the outer surface of both printed circuit boards 7, 8.
  • the provided profiles can act as cooling fins. As a result, the thermal resistance of the two thermally conductive layers 8-2, 7-2 is reduced, so that the heat flow Q • s increases and thus more heat can be removed from the energy storage cells 1-i.
  • cooling channels can also be provided in the thermally conductive layers 7-2, 8-2, through which a cooling medium flows for additional cooling, so that the thermal resistance of the two layers 7-2, 8-2 is additionally reduced.
  • the electric current I from the frontal heat flow Q • s is separated by the circuit boards by means of the electrically and thermally conductive layer 7-1 and 8-1, wherein the electric current I is dissipated laterally to an electrical contact.
  • electrical fuse elements 9-1, 9-2 are provided, as in Fig. 2 shown.
  • electrical fuse elements are provided only on one of the two printed circuit boards 7, 8, as in the in Fig. 2 illustrated embodiment.
  • electrical fuse elements may also be provided on the lower printed circuit board 8 of the electrically and thermally conductive layer 8-1.
  • the electrical fuse elements 9-1, 9-2 consist for example of thin bonding wires, a fuse, a PTC element, a semiconductor element, or other electrical protection against overcurrents.
  • the electrical fuse elements 9-i can be optionally provided. In one possible embodiment, a separate fuse element is provided for each energy storage cell 1-i of the energy store. Alternatively, the fuse elements 9-i may also be provided for a group of energy storage cells, for example a group of energy storage cells connected in parallel. The fuse elements 9-i may for example consist of PTC elements. These separate the electrical connection in case of overcurrent. Another possibility is to protect the energy storage cells 1-i against excessive electrical currents I using thin bonding wires.
  • the electrical fuse elements can be formed by SMD components which are soldered onto the electrically and thermally conductive layer 7-1 of the printed circuit board 7.
  • the electrical fuse element can also be formed by an etched current web provided on the layer 7-1. This heats up too much current load, which leads to melting of the material and an interruption of the electrical contact. This process is irreversible, comparable to a commercially available fuse.
  • the energy store has a composite of energy storage cells 1-i, wherein the electrical connection of the energy storage cells 1-i is produced with one another via a printed circuit board which has at least one electrically conductive layer and has at least one non-conductive layer.
  • the electrical connection of the energy storage cells 1-i is made with each other via connecting elements made of metal, which are in contact with the contact elements or connecting elements, which consist of an elastic contacting material.
  • the circuit boards may have tapers in their tracks. These tapers are destroyed from a certain current flowing through the respective taper, so that the electrical contact is interrupted.
  • One advantage of the use of elastic contact elements or connecting elements is that their elastic contacting material dampens mechanical vibrations introduced from outside into the energy storage system and the individual energy storage cells experience lower accelerations.
  • the two poles 2-i, 3-i of the energy storage cell 1-i face each other.
  • the two poles 2-i, 3-i of the energy storage cell 1-i may be on one side.
  • Fig. 3 shows an electrical and thermal equivalent circuit diagram for representing an electric current flow and a thermal heat flow from an energy storage cell 1-i to the environment.
  • the heat flow Q • m flows as in Fig. 3 represented, over the lateral surface of the energy storage cell 1-i from.
  • the heat flow Q • s flows via the end face of the energy storage cell 1-i via the thermally conductive contact element 4 and the thermally conductive layers 7-1, 7-3, 7-2 of the upper circuit board 7 to the environment.
  • R s represents a thermal contact resistance and R u an electrical Transition resistance R th and represents the thermal resistance of the contact element 4 and a layer 7-1, 7-2, 7-3 of the upper circuit board 7 is Fig.
  • the heat flow Q • m flows from the electric storage cell 1-i on the circumferential surface or the end surface, maximized at a given electrical current from the cell to keep the thermal load of the respective energy storage cell 1-i as low as possible , How to get in Fig. 3 can recognize the heat flow Q • discharged either via the lateral surface M or over the end face S or both, ie, both lateral surface and end face, in the inventive arrangement.
  • the sum of the thermal contact resistances R s and the thermal resistances R th is preferably minimized to maximize the heat flow.
  • the main part of the thermal energy arises inside the energy storage cell 1-i.
  • the heat from the interior of the energy storage cell 1-i can be better led to the outside, when the sum of the thermal resistances is lower, ie the sum of the thermal resistances from the inside to the pole or the end face of the energy storage cell is lower than the thermal resistance from the interior of the energy storage cell to its lateral surface.
  • Figs. 7A, 7B, 7C show various embodiments of energy storage cells 1-i.
  • Fig. 7A shows a cylindrical energy storage cell 1-i with two opposite poles 2-i, 3-i.
  • Fig. 7B shows a prismatic or cuboid energy storage cell 1-i with two poles 2-i, 3-i on an end face.
  • Fig. 7C shows an energy storage cell 1-i in the form of a bag or bag, which is relatively flat and has the poles 2-i, 3-i at one end face.
  • connection or contact elements 4-i, 5-i can also be used for the connection and connection of two current-carrying conductors, wherein currents with a current density of more than 0.05 A / mm 2 can be transmitted.
  • a connection element is also suitable for the transmission of large electrical power, for example, in a plug-in system or in a luster terminal.
  • the invention thus also provides a connection system for connecting two electrical conductors, wherein there is an electrically conductive elastomer between the two electrical conductors.
  • the two electrical conductors can be made of different materials, such as a copper or aluminum alloy.
  • Fig. 4 shows an embodiment of an energy storage device 10 according to the invention, which contains an energy store 11.
  • the energy store 11 consists of a plurality of serially interconnected energy storage cell groups 12 A, 12 B, each consisting of several parallel-connected energy storage cells 1-i.
  • the energy storage cell groups 12A, 12B each have three energy storage cells 1-i connected in parallel, as in FIG Fig. 4 shown.
  • the first energy storage cell group 12A has energy storage cells 1-1a, 1-2a, 1-3a connected in parallel
  • the second energy storage cell group 12B has energy storage cells 1-1b, 1-2b, 1-3b connected in parallel.
  • the number of energy storage cells 1-i connected in parallel within an energy storage cell group can vary.
  • An energy storage cell group may comprise more than two energy storage cells.
  • the number of serially interconnected energy storage cell groups 12A, 12B may vary, wherein, for example, more than two energy storage cell groups may be serially connected in series.
  • the poles of the energy storage cells 1-i are each connected via an electrically and thermally conductive contact element to a printed circuit board 7, 8, which are for separating one of the respective energy storage cell 1-i via the contact element is electric current I provided by a contact element obtained via the heat flow Q •.
  • the energy storage cell groups 12A, 12B of the energy store 11 connected in parallel are each connected to an electronic monitoring unit 13 via sense lines which are provided on the printed circuit board.
  • the number of sense lines 14-i corresponds to the number of serially interconnected energy storage cell groups plus 1.
  • the sense lines 14-i extend within the printed circuit boards 7, 8, between which energy storage cells 1-i of an energy storage cell group are clamped. Due to the course of the sense lines within the printed circuit boards 7, 8, no separate contacting of the sense lines 14-i with the energy storage cells and guidance of corresponding sense cables is necessary. Thereby, the effort for the production of the energy storage device 10, as in Fig. 4 is shown to be significantly reduced.
  • the guidance of the sense lines 14-i within the circuit boards 7, 8 can be ensured by a corresponding design in the board layout. Due to the fact that the cell contacting takes place on a printed circuit board, the sense lines can be easily taken into account in the board layout. This means that a contacting of sensor or sensor lines is not necessary and the sensor line 14-i can be led directly to the electrical monitoring unit 13 via the printed circuit board 7, 8. The same applies to the sensor lines such as for lines of temperature sensors.
  • the electrical energy storage device 10 has connection terminals 15-1, 15-2 for connecting an electrical load 16.
  • the load 16 may be, for example, an electric motor or an inverter of a vehicle.
  • a separate electrical fuse element for overcurrent protection for example, in the first layer of the printed circuit boards 7, 8 may be provided.
  • further dangerous processes which can lead to the burning of a cell, which results in the event of a fault of an energy storage cell, can be reliably prevented.
  • an internal short circuit within an energy storage cell causes the electrical fuse element interrupts the flow of current, so that it is reliably prevented that parallel connected energy storage cells are short-circuited via the defective energy storage cell. This prevents a chain reaction that could even lead to a fire of the energy storage device.
  • the functionality of the energy storage is maintained.
  • the electronic monitoring unit 13 can also continuously monitor the voltages of the parallel-connected energy storage cells 1-i of an energy storage cell group 12A, 12B via the sense lines and detect the failure of an energy storage cell, for example due to an internal short circuit, by means of a sudden voltage dip on the sense line 14-i and react accordingly.
  • switching elements are additionally provided in the energy store 11, which are switched by the electronic monitoring unit 13 in response to detected errors.
  • 9-i switches can be connected in addition to the electrical fuse elements, so that the faulty energy storage cells 1-i are deactivated as soon as they are affected by an error.
  • the heat emitted by the energy storage cells or an energy storage cell group of the energy store 12 is detected by at least one associated temperature sensor.
  • the temperature sensor may also be provided on the printed circuit boards 7, 8. Since in the arrangement according to the invention the heat of the energy storage cells 1-i is dissipated via the poles, these temperature sensors can be provided in the contacting board or printed circuit board and do not have to be provided in the Are housed inside the battery module or energy storage. As a result, the production cost is additionally reduced.
  • compensation resistors for converting excess charge of the energy storage cells 1-i of the energy store 11 into heat can additionally be provided.
  • the balancing resistors deliver the heat generated by them to the printed circuit boards 7, 8 and are controlled by the monitoring unit 13.
  • the balancing resistances are provided for balancing or balancing the individual energy storage cells with regard to different electrical charges.
  • the load differences and a different aging of the energy storage cell n 1-i can cause within the energy storage 11 that the series-connected energy storage cells 1-i have different losses. This varies the electrical charge that can be made available to each serially connected cell.
  • the charge differences are compensated by balancing using compensation resistors.
  • the monitoring unit is preferably mounted directly on the energy storage 11.
  • the heat of the balancing resistors can thus easily be delivered to the contacting or printed circuit board 7, 8.
  • the balancing performance is significantly increased in the energy storage device 10 according to the invention and thus has no influence on the dynamics of the electrical load of the energy storage device 10.
  • the heat emitted by the balancing resistances is preferably distributed uniformly over the heat-conductive layers consisting of printed circuit boards 7, 8 for preheating the energy storage device 11.
  • the preheating is preferably carried out at low ambient temperatures. At low ambient temperatures, the removable power and energy of the energy storage cells 1-i decreases. Therefore, in this preferred embodiment, the energy storage 11 is preheated at low temperatures. In contrast to conventional energy storage devices in which the energy storage devices are preheated by their own heating, in the energy storage device 11 according to the invention, the preheating takes place by means of the compensation resistances which are provided for charge equalization.
  • the temperature distribution on the contacting or printed circuit boards 7, 8 is very good, the generated heat of the balancing or compensation resistances is well distributed to all energy storage cells 1-i of the energy storage device 11.
  • the energy storage 11 is automatically preheated, especially at low ambient temperatures, whereby the removable power and energy of the energy storage cells 1-i is increased.
  • Fig. 5A, 5B shows a possible pole arrangement on a printed circuit board, which can be used in the inventive device or energy storage device.
  • Fig. 5A shows, for example, the pole arrangement of an upper printed circuit board 7 on the side facing the energy storage cells 1-i.
  • Fig. 5B shows a corresponding pole arrangement of the lower circuit board 8 on the energy storage cells 1-i side facing.
  • FIGS. 6A, 6B show a possible board layout of the circuit boards for the pole arrangement with integrated sensor or sensor lines for connection to the electronic monitoring unit 13 and for the connection of temperature sensors. In addition, holes for screws for mounting the electrical energy storage 11 are shown.
  • the contacting device according to the invention With the contacting device according to the invention, an optimal long life of the energy storage device 11 and a high efficiency in the use of the energy storage device 11 can be achieved. With the device according to the invention, it is possible, the temperature of the entire energy storage 11 in to maintain an optimum temperature range and to minimize the temperature gradients within the energy storage cells 1-i.
  • the device according to the invention allows a thermal connection of energy storage cells or battery cells in an energy storage network, wherein a heat flow and an electric current from the energy storage cells 1-i via electrically conductive contact surfaces of the battery cells is led to the outside.
  • heat can be derived from the outer skin or the jacket of the energy storage cell 1-i.
  • an efficient cooling is realized, wherein in addition a low temperature gradient from the inside to the outside of the energy storage cell 1-i is achieved.
  • An advantage of the contacting device according to the invention is that it offers a large contact surface and the electrical and thermal resistance is reduced.
  • the flexibility of the contact elements serves to dampen mechanical vibrations.
  • material irregularities can be compensated and the assembly process can be simplified. This is particularly important when the electrical energy storage device 10 according to the invention is provided within a vehicle. This form of contact can not be damaged by vibrations in contrast to a rigid connection of the contact.
  • the electrical monitoring unit 13 can report the fault that has occurred or the faulty energy storage cell 1-i to a higher software layer or a driver by means of the sense lines 14-i.
  • the arrangement or contacting device according to the invention represents a soldering and welding-free contacting concept for multifunctional printed circuit boards, so that the manufacturing effort in the production of energy storage 11 is significantly reduced.
  • the elastic contact elements are sandwiched with the circuit boards 7, 8 surface-connected. Over the different layers of the circuit boards 7, 8, the power management and a waste heat transport can take place.
  • this composite material also contributes to the improved static of the energy storage cell pack and also has a positive effect on the packing density.
  • the contacting device according to the invention With the help of the contacting device according to the invention a complex interconnection of many comparatively small energy storage cells can be omitted energy storage networks, which in particular due to the low discharge currents for smaller energy storage cells advantageous to the fire safety of the energy storage and thus the corresponding electric vehicle. Due to the increased life and the higher efficiency of the electrical energy storage device 11 according to the invention, the electrical losses are kept low and also kept the temperature of the energy storage device 11 in an ideal temperature working range.
  • the contact surfaces on the negative and positive poles of the energy storage cell 1-i ensure efficient dissipation of heat and allow low-loss electrical and thermal energy transfer.
  • an electric motor of a vehicle may be connected, whose range is high due to the high efficiency of the energy storage device 11.
  • the energy storage device 10 according to the invention can be installed in various vehicles or portable devices.
  • the energy storage device 10 according to the invention can also serve, for example, as an energy source for a portable device, in particular for a portable computer or mobile terminal, in particular for a mobile telephone or the like.
  • the energy storage device 10 has a modular construction, so that in this embodiment different energy storage cell groups 12A, 12B can be modularly assembled by energy storage cells connected in parallel. Furthermore, in one possible embodiment, mechanical connections may be provided on the printed circuit boards 7, 8 and allow such modular assembly of the energy storage cell groups 12A, 12B.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung für ein Fahrzeug und insbesondere eine Vorrichtung zur Kontaktierung und Kühlung von elektrischen Energiespeicherzellen des Energiespeichers.
  • In vielen Anwendungen ist es notwendig, elektrische Energie zu speichern. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb bzw. Elektromotor ist es notwendig, elektrische Ladung in einem ausreichenden Ausmaße zur Verfügung zu stellen und in einem Energiespeicher des Fahrzeuges zu speichern.
  • Fig. 1 zeigt einen herkömmlichen Energiespeicher wie er beispielsweise bei Elektrostraßenfahrzeugen eingesetzt wird. Bei dem in Fig. 1 dargestellten herkömmlichen Energiespeicher, bzw. Batteriepack für Automobile werden runde, pouch oder prismatische Batteriezellen verwendet, die an der Ober- oder Unterseite elektrische Pole aufweisen. Die elektrische Verbindung unter den einzelnen Batterie- bzw. Energiespeicherzellen wird dabei überwiegend durch Widerstandsschweißen hergestellt. Dazu wird durch Punktschweißen ein Pol P der Energiespeicherzelle ESZ mit jeweils mehreren Schweißpunkten SP beispielsweise mit einem sogenannten Hiluminband HB verbunden. Das Hiluminband HB besteht aus Hilumin, d.h. aus vernickeltem Stahl, und hat einen höheren elektrischen Widerstand als die Gehäuseteile der Batteriespeicherzellen, die verschweißt werden. Der höhere elektrische Widerstand des Hiluminbandes HB ist notwendig, damit ein Schweißstrom vom Hiluminband zum Batteriegehäuse der jeweiligen Energiespeicherzelle und wieder zurück zu dem Hiluminband HB fließt und nicht direkt über das Hiluminband HB abfließt.
  • Bei der herkömmlichen Energiespeichervorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, wird ein aus den Energiespeicherzellen ESZ jeweils generierter Wärmestrom Q• über deren Mantelfläche abgeführt. Die Kühlung der Energiespeicherzellen ESZ kann dabei beispielsweise über Luft- oder Flüssigkeitskühlung erfolgen. Das verschweißte Batteriepack bzw. die verschweißten Energiespeicherzellen werden in ein elektrisch nicht leitendes Gehäuse G der Energiespeichervorrichtung eingefasst. Der elektrische Strom I, der aus den Energiespeicherzellen fließt, wird über die Pole P der Energiespeicherzelle ESZ und die Schweißpunkte SP auf das Hiluminband HB der Energiespeichervorrichtung abgeleitet.
  • Das Hiluminband HB der herkömmlichen Energiespeichervorrichtung weist einen höheren elektrischen Widerstand auf als bei elektrischen Leitern ansonsten üblich und erhöht somit den Gesamtinnenwiderstand des in Fig. 1 dargestellten konventionellen Energiespeichers. Darüber hinaus ist bei dem herkömmlichen Energiespeicher gemäß Fig. 1 auf beiden Seiten einer Energiespeicherzelle ESZ ein Schweißprozess zur Kontaktierung der Energiespeicherzellen mit dem Hiluminband HB notwendig. Die herkömmliche Energiespeichervorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, benötigt aufgrund der Vielzahl der darin integrierten Energiespeicherzellen ESZ bei der Herstellung eine Vielzahl von Schweißprozessen zur Herstellung der Kontaktierung ein für die Vielzahl von Energiespeicherzellen ESZ. Daher ist der Schweißprozess für die Kontaktierung eines vollständigen Batteriepacks mit einer Vielzahl von Energiespeicherzellen ESZ sehr zeitaufwendig. Ferner ist das Sicherstellen einer gleichbleibenden Qualität der Schweißverbindungen technisch aufwendig. Zudem kann die Zelle während des Schweißprozesses durch den Wärmeeintrag in die Zelle geschädigt werden.
  • Darüber hinaus hat die herkömmliche Energiespeichervorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, den Nachteil, dass eine Kühlung der Energiespeicherzellen ESZ ausschließlich über die Mantelflächen der jeweiligen Energiespeicherzellen ESZ erfolgt. Dadurch kann die Energiespeicherzelle ESZ von außen zwar gekühlt werden, doch bildet sich zum Inneren der Energiespeicherzelle hin ein gewisser Temperaturgradient aus, d.h. die Temperatur in einer Energiespeicherzelle ESZ fällt ausgehend von der Mitte der Energiespeicherzelle ESZ hin nach außen ab. Dieser Temperaturgradient innerhalb einer Energiespeicherzelle führt zu einer ungleichmäßigen Alterung der Batterie- bzw. Energiespeicherzelle ESZ. Eine Kühlung im Inneren der Energiespeicherzelle ist bei der herkömmlichen Anordnung gemäß Fig. 1 nicht möglich, da eine Kühlung über die Schweißkontaktierungen nicht erfolgen kann. Über die Schweißpunkte kann zwar elektrische Energie abgeführt werden, allerdings ist der über die Schweißpunkte SP abführbare Wärmestrom zur Außenkante des Gehäuses G sehr gering.
  • Die US 2010/104935 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Wärmeableitung von Batteriemodulen. Einzelne Energiespeicherzellen der Batteriemodule weisen jeweils einen ersten Kontaktstreifen und einen zweiten Kontaktstreifen, welche mit dem Plus- bzw. dem Minuspol der Energiespeicherzelle verbunden sein können. Über die Kontaktstreifen sind die Pole der Energiespeicherzellen mit je einer Leiterplatte verbunden.
  • Die DE 10 2009 018787 A1 beschreibt ein Batteriemodul mit mehreren aneinander angeschlossenen Zellen, welche jeweils einen positiven und einen negativen Anschluss aufweisen. Die einzelnen Zellen sind paarweise parallel geschaltet und die Paare miteinander in Reihe geschaltet. Die Zellen sind Energiespeicherzellen.
  • Die WO 2010/031856 A2 beschreibt eine Verbindungsplatine mit Verbindungsschlitzen, in welche Elektrodenlaschen von Energiespeicherzellen einführbar sind, wo sie mittels Kontaktelementen kontaktierbar sind. Die Verbindungsplatine weist leitende Stromschienen auf, welche durch elektrisch nicht leitende Bereiche von einer Wärmeleitschicht getrennt sind.
  • In der US 2011/244310 A1 ist eine wiederaufladbare Batterie mit Kontaktplatten aus Aluminium, Kupfer oder rostfreiem Stahl beschrieben.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Kontaktierung von elektrischen Speicherzellen zu schaffen, die die Nachteile der herkömmlichen Anordnung vermeidet, wie beispielsweise die Schädigung der Zelle durch den Wärmeeintrag beim Schweißprozess und eine effektivere Kühlung der Energiespeicherzellen eines Energiespeichers bietet. Weiterhin kann die Energiedichte des Energiespeichers erhöht werden, da die Packungsdichte der Energiespeicherzellen erhöht werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet den Vorteil, dass die in den Energiespeicherzellen erzeugte Wärme nicht nur durch die Mantelflächen der Energiespeicherzellen abgeführt wird, sondern zusätzlich großflächig über die thermisch leitfähigen Kontaktelemente.
  • Durch die zusätzliche zentrale Abführung von Wärme aus der Mitte der elektrischen Energiespeicherzelle an deren Polen wird zudem ein Temperaturgradient innerhalb der Energiespeicherzelle minimiert. Hierdurch wird eine ungleichmäßige Alterung von Energiespeicherzellen innerhalb des Energiespeichers verhindert.
  • An beiden Polen der elektrischen Energiespeicherzelle sind, bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung stirnseitig, jeweils flache Kontaktelemente aus einem flexiblen Material zwischen dem jeweiligen Pol der elektrischen Energiespeicherzelle und der jeweiligen Leiterplatte vorgesehen.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die flachen Kontaktelemente fest mit der elektrischen Energiespeicherzelle oder der Leiterplatte verbunden. Dies kann beispielsweise durch ein Siebdruckverfahren geschehen.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung entstehen die flachen Kontaktelemente erst innerhalb des fertig montierten Akkupacks, indem vor dem Zusammenfügen eine pastöse, aushärtende Masse in den Zwischenraum zwischen elektrischer Energiespeicherzelle und Leiterplatte eingebracht wird.
  • Aufgrund der großen Fläche und der geringen Materialstärke der thermisch leitfähigen Kontaktelemente und des geringen thermischen Widerstandes des Materials des Kontaktelements ist der thermische Widerstand der jeweiligen flachen Kontaktelemente gering, sodass Wärme in großem Maße effizient aus den elektrischen Energiespeicherzellen abgeleitet wird und die Energiespeicherzellen somit besser gekühlt werden. Da die Kontaktelemente zusätzlich aus einem flexiblen Material hergestellt sind, bieten sie zudem eine gute elektrische und vibrationsfeste Verbindung bzw. Kontaktierung. Die Fläche der Kontaktelemente ist im Verhältnis zu der Größe der Energiespeicherzelle relativ groß, wodurch eine effektive Wärmeableitung gefördert wird.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die elektrischen Energiespeicherzellen an ihren Polen jeweils mit einer bestimmten Anpresskraft zwischen zwei Leiterplatten montiert. Dadurch kann ein elektrischer und thermischer Kontakt sichergestellt werden. Darüber hinaus bietet das Einklemmen der elektrischen Energiespeicherzellen des Energiespeichers zwischen die Leiterplatten den Vorteil einer einfachen Montage.
  • Durch das laterale Abführen des von den Energiespeicherzellen gelieferten elektrischen Stromes kann die von den Energiespeicherzellen gelieferte elektrische Ladung in einfacher Weise aus dem Energiespeicher über lateral angebrachte elektrische Kontakte abgeleitet werden.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht die elektrisch isolierende Zwischenschicht der Leiterplatte aus einem thermisch leitfähigen Material geringer Materialstärke im Verhältnis zu den übrigen Schichten der Leiterplatten.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in der elektrisch und thermisch leitfähigen ersten Schicht der Leiterplatte elektrische Sicherungselemente zur Überstromabsicherung vorgesehen.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient die Leiterplatte zugleich als Strukturelement bzw. Außenwand des Gehäuses.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der elektrische Energiespeicher mehrere Energiespeicherzellen auf, die in einer Energiespeicherzellengruppe parallel verschaltet sind. Hierdurch kann die Kapazität des elektrischen Energiespeichers erhöht werden.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind mehrere Energiespeicherzellengruppen, die jeweils parallel verschaltete Energiespeicherzellen aufweisen, seriell in dem Energiespeicher verschaltet. Dadurch kann die von dem elektrischen Energiespeicher bereitgestellte Spannung erhöht werden.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die seriell verschalteten Energiespeicherzellengruppen des Energiespeichers jeweils über Senseleitungen, die in der Leiterplatte vorgesehen sind, mit einer elektronischen Überwachungseinheit verbunden, welche eine an den Energiespeicherzellengruppen des Energiespeichers jeweils anliegende elektrische Spannung überwacht.
  • Durch den Verlauf der Senseleitung in der Leiterplatte, welche auch den Nutzstrom führt, kann die Kontaktierung der Sensorleitungen an den Energiespeicherzellen erheblich erleichtert werden, ohne dass hierfür zusätzliche Kabel zu der elektronischen Überwachungseinheit geführt werden müssen. Die Senseleitungen können in einfacher Weise beim Platinenlayout der Leiterplatte berücksichtigt werden. Dies hat zur Folge, dass eine separate Kontaktierung der Sensorleitungen nicht notwendig ist und somit der Verkabelungsaufwand und Herstellungsaufwand signifikant reduziert wird.
  • Gleiches gilt auch für die Sensorleitungen wie zum Beispiel Sensorleitungen für Temperatursensoren.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist für jede Energiespeicherzellengruppe oder für jede einzelne Energiespeicherzelle einer Energiespeicherzellengruppe ein elektrisches Sicherungselement zur Überstromabsicherung in oder auf der ersten Schicht der Leiterplatte vorgesehen. Dadurch kann eine fehlerhafte Energiespeicherzelle mithilfe eines zugehörigen elektrischen Sicherungselementes schnell und zuverlässig abgeschaltet werden, wodurch weitere gefährliche Prozesse innerhalb einer Speicherzelle die bis zum Entflammen einer Zelle führen können, zuverlässig verhindert werden.
    Zusätzlich wird durch die einzelne Absicherung jeder Energiespeicherzelle bei einer Fehlfunktion einer einzelnen Zelle beziehungsweise Fehlfunktionen von einer oder mehr Zellen eines möglichen Parallelverbundes die Energieentnahme weiterhin ermöglicht und die Funktionsfähigkeit des Energiespeicherverbundes aufrechterhalten.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die von einer Energiespeicherzelle oder von einer Energiespeicherzellengruppe des Energiespeichers abgegebene Wärme von mindestens einem zugehörigen Temperatursensor erfasst, der an der Leiterplatte vorgesehen ist und die erfasste Temperatur an die elektronische Überwachungseinheit des Energiespeichers meldet. Dadurch ist es nicht mehr notwendig, Temperatursensoren im Inneren des Speicherzellenmoduls unterzubringen. Zudem können die Temperatursensoren beim Layout der Kontaktierungsplatine berücksichtigt werden und dort direkt vorgesehen werden. Dadurch sinkt der Aufwand der Herstellung des Energiespeichers zusätzlich.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Ausgleichswiderstände zur Umwandlung von überschüssiger Ladung von Energiespeicherzellen des Energiespeichers in Wärme vorgesehen, wobei die von den Ausgleichswiderständen erzeugte Wärme über das elektrisch und thermisch leitfähige Kontaktelement an die Leiterplatte abgeben wird. Durch die direkte Ableitung der Wärme an das thermisch leitfähige Kontaktelement kann eine Balancing-Leistung des Energiespeichers deutlich erhöht werden und hat dadurch keinen Einfluss auf die Dynamik einer Belastung des Energiespeichers.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die von den Ausgleichswiderständen abgegebene Wärme über die aus wärmeleitfähigen Schichten bestehende Leiterplatte gleichmäßig zur Vorheizung des Energiespeichers, insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen, verteilt. Dies hat den Vorteil, dass zur Vorwärmung des Energiespeichers keine eigene Heizleitung durch eine Wärmequelle bereitgestellt werden muss.
  • Die Erfindung schafft ferner ein Fahrzeug mit einer Energiespeichervorrichtung mit den in Patentanspruch 14 angegebenen Merkmalen.
  • Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine herkömmliche Anordnung von Energiespeicherzellen;
    Fig. 2
    eine Anordnung von Energiespeicherzellen innerhalb eines Energiespeichers zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
    Fig. 3
    ein schematisches Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
    Fig. 4
    ein Schaltbild zur Erläuterung eines möglichen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung;
    Fig. 5A, 5B
    Polanordnungen auf einer Leiterplatte bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung;
    Fig. 6A, 6B
    ein mögliches Platinenlayout von Leiterplatten bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung;
    Fig. 7A, 7B, 7C
    Ausführungsbeispiele von Energiespeicherzellen der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung.
  • Wie man aus Fig. 2 erkennen kann, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel elektrische Energiespeicherzellen 1-1, 1-2 auf, wobei die Energiespeicherzellen 1-1, 1-2 jeweils zwei elektrische Pole 2, 3 besitzen. So weist die erste elektrische Energiespeicherzelle 1-1 einen ersten bzw. positiven elektrischen Pol 2-1 und einen zweiten bzw. negativen elektrischen Pol 3-1 auf. In gleicher Weise weist die zweite Energiespeicherzelle 1-2 einen ersten positiven Pol 2-2 und einen negativen elektrischen Pol 3-2 auf. An den beiden positiven Polen 2-1, 2-2 der elektrischen Energiespeicherzellen 1-1, 1-2 ist jeweils ein Kontaktelement 4-1, 4-2 vorgesehen, wie in Fig. 2 dargestellt. An den beiden negativen Polen 3-1, 3-2 ist ebenfalls ein Kontaktelement 5-1, 5-2 vorgesehen, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Kontaktelemente 4-1, 4-2, 5-1, 5-2 bilden Anbindungselemente, die ein elastisches Kontaktierungsmaterial aufweisen, welches elektrisch und thermisch leitfähig ist und seine elastische Verformung aus der Änderung einer Längenausdehnung in einer Richtung senkrecht zu den Kontaktoberflächen der Batteriepole der Energiespeicherzellen 1-1, 1-2 bezieht. Die Oberfläche eines Batteriepols ist dabei ganz oder teilweise durch das elastische Kontaktierungsmaterial bedeckt und wird hierdurch vor Kontakt mit Feuchtigkeit geschützt. Die Kontaktelemente bzw. Anbindungselemente können aufgeklebt oder auf andere Weise befestigt werden. Bei einer möglichen Ausführungsform besteht das elastische Kontaktierungsmaterial der Kontaktelemente 4-1, 4-2, 5-1, 5-2 aus einer Mischung aus Elastomer und Metallpartikeln. Bei einer möglichen Ausführungsvariante weisen die Metallpartikel eine Oberflächenbeschichtung auf. Diese Oberflächenbeschichtung kann galvanisch oder nicht galvanisch aufgebracht werden. Die Energiespeicherzellen 1-1, 1-2 bestehen bei einer möglichen Ausführungsform aus Batteriezellen. Weiterhin können die Energiespeicherzellen 1-1, 1-2 auch aufladbare Akkumulatorzellen sein. Die Energiespeicherzellen 1-i können auch physikalische Energiespeicher, insbesondere Kondensatoren, sein. Bei einer möglichen Ausführungsform sind die Energiespeicherzellen 1-1, 1-2 zylindrisch aufgebaut und weisen jeweils eine Mantelfläche auf (Fig. 7A zeigt eine zylindrisch aufgebaute Energiespeicherzelle 1-i). Die Energiespeicherzellen 1-1, 1-2 können, wie in Fig. 2 dargestellt, in einer Tragstruktur 6 eingesetzt sein, die beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial besteht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Material der Tragstruktur 6 thermisch leitfähig, sodass die an den Mantelflächen der Energiespeicherzellen 1-1, 1-2 vorhandene Wärme als Wärmestrom Q• m über die Tragstruktur 6 abfließen kann. Zur Optimierung der Wärmeabgabe über die Mantelfläche kann die Tragstruktur ein Kühlmedium (Luft, Wasser, etc.) führen. Bei einer möglichen Ausführungsform weist die Tragstruktur 6 zylindrische Ausnehmungen auf, in die zylindrisch aufgebaute Energiespeicherzellen 1-i passgenau eingesetzt werden können. Die eingesetzten Energiespeicherzellen 1-1, 1-2 sind vorzugsweise austauschbar in die Tragstruktur 6 eingesetzt. An den Stirnflächen der Energiespeicherzellen 1-1, 1-2, welche gleichzeitig die Pole der Energiespeicherzellen bilden, sind die oberen und unteren Kontaktelemente 4-1, 4-2 bzw. 5-1, 5-2 vorgesehen. Diese Kontaktelemente sind sowohl elektrisch als auch thermisch leitfähig. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Energiespeicherzellen 1-1, 1-2 über die oberen Kontaktelemente 4-1, 4-2 mit einer ersten Leiterplatte 7 und über die unteren Kontaktelemente 5-1, 5-2 mit einer unteren Leiterplatte 8 elektrisch und thermisch leitfähig verbunden. Die Leiterplatten 7, 8 dienen jeweils zur Trennung des von den Energiespeicherzellen 1-i über die Kontaktelemente erhaltenen elektrischen Stromes I von einem über die Kontaktelemente erhaltenen Wärmestrom Q• s. Wie man aus Fig. 2 erkennen kann, fließt ausgehend von den Stirnseiten der elektrischen Speicherzellen 1-i jeweils ein zweiter Wärmestrom Q• s über die thermisch leitfähigen Kontaktelemente 4, 5 der oberen und unteren Leiterplatte 7, 8. Die Leiterplatten 7, 8 sind derart aufgebaut, dass sie einen von einer Energiespeicherzelle über ein Kontaktelement erhaltenen elektrischen Strom I von einem über das Kontaktelement erhaltenen Wärmestrom Q• s trennen.
  • Zur Trennung des stirnseitigen Wärmestromes Q• s von dem elektrischen Strom I sind die beiden Leiterplatten 7, 8 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus verschiedenen Schichten aufgebaut. Das heißt, die obere Leiterplatte 7 weist eine wärmeleitende und elektrisch leitende erste Schicht 7-1 auf, die direkt an den oberen Kontaktelementen 4-1, 4-2 anliegt. Diese erste elektrisch leitfähige Schicht 7-1 führt den über die Kontaktelemente 4-1, 4-2 fließenden elektrischen Strom I lateral ab, wie in Fig. 2 dargestellt. Darüber hinaus überträgt die elektrisch leitfähige und thermisch leitfähige Schicht 7-1 den über die Kontaktelemente 4-1, 4-2 jeweils fließenden Wärmestrom Q• s an eine zweite wärmeleitende Schicht 7-2 der Leiterplatte 7. Die zweite thermisch leitfähige Schicht 7-2 der Leiterplatte 7 gibt den von der ersten Schicht 7-1 empfangenen Wärmestrom Q• s an eine Umgebung oder an ein Kühlmedium ab, wie in Fig. 2 dargestellt. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich zwischen der ersten thermisch und elektrisch leitfähigen Schicht 7-1 und der zweiten thermisch leitfähigen Schicht 7-2 der Leiterplatte 7 eine elektrisch isolierende Zwischenschicht 7-3, die notwendig ist, sofern die zweite thermisch leitfähige Schicht 7-2 elektrisch leitfähig ist. Die Dicke d1 der ersten elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht 7-1 kann in einem Bereich von beispielsweise 20 bis 500 µm liegen. Die Dicke d2 der zweiten zumindest thermisch leitfähigen Schicht 7-2 kann z.B. in einem Bereich von beispielsweise 1 bis 5 mm liegen, d.h. die zweite thermisch leitfähige Schicht 7-2 der Leiterplatte 7 ist bei einer bevorzugten Ausführungsform dicker als die erste elektrisch und thermisch leitfähige Schicht 7-1 der ersten Leiterplatte 7. Die dazwischenliegende Zwischenschicht 7-3 weist eine Dicke d3 auf, die bei einer bevorzugten Ausführungsform relativ dünn ist wobei die Dicke d3 kleiner als die Dicke d1 und die Dicke d2 der beiden übrigen Schichten 7-1, 7-2 der Leiterplatte 7 ist. Die Zwischenschicht 7-3 besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, das auch thermisch leitfähig ist, sodass der Wärmestrom Q• s durch sie hindurchfließen kann, wie in Fig. 2 dargestellt. Bei einer möglichen Ausführungsform weist die Zwischenschicht 7-3 eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 0,1 Watt pro Kelvinmeter auf.
  • Die untere Leiterplatte 8 kann, wie in Fig. 2 dargestellt, in gleicher Weise aufgebaut sein wie die obere Leiterplatte 7. Dabei entspricht die erste thermisch und elektrisch leitfähige Schicht 8-1 der ersten Schicht 7-1 der oberen Leiterplatte 7. Die zweite thermisch leitfähige Schicht 8-2 der unteren Leiterplatte 8 entspricht der Schicht 7-2 der oberen Leiterplatte 7. Die elektrisch isolierende und gleichzeitig thermisch leitfähige Zwischenschicht 8-3 der unteren Leiterplatte 8 entspricht der Zwischenschicht 7-3 der oberen Leiterplatte 7.
  • Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Leiterplatten 7, 8 jeweils aus drei Schichten aufgebaut. Bei einer alternativen Ausführungsform weisen die beiden Leiterplatten 7, 8 jeweils nur zwei Schichten auf, nämlich eine elektrisch und thermisch leitfähige Schicht 7-1 und eine zweite elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schicht 7-2 bzw. 8-2. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass auf eine Zwischenschicht, insbesondere die in Fig. 2 dargestellten Zwischenschichten 7-3, 8-3 verzichtet werden kann. Demgegenüber bietet die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform den Vorteil, dass die erste und zweite Schicht der beiden Leiterplatten beide aus einem elektrisch und thermisch leitfähigen Material hergestellt werden können, die durch eine elektrisch isolierende Schicht 7-3 bzw. 8-3 voneinander getrennt sind. Da elektrisch leitfähige Materialien in der Regel zugleich sehr gute thermische Leiter sind kann der Wärmestrom Q• s besser aus der Zelle an die Umgebung abgegeben werden im Vergleich zu der zweischichtigen Ausführungsform.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform kann es sich bei dem elektrisch leitfähigen und thermisch leitfähigen Material, das insbesondere bei der elektrisch leitfähigen und thermisch leitfähigen Schicht 7-1 bzw. 8-1 der beiden Leiterplatten 7, 8 eingesetzt wird, um ein Metall handeln und insbesondere um Kupfer, Silber oder Gold. Die beiden Schichten 7-2, 8-2 der beiden Leiterplatten 7, 8 können beispielsweise aus einem elektrisch leitfähigen und thermisch leitfähigen Material, vorzugsweise einem Metall, beispielsweise Aluminium, oder einem thermisch leitenden, elektrisch isolierenden Material, beispielsweise einem Kunststoff, bestehen. Bestehen die beiden Schichten 7-2, 8-2 der beiden Leiterplatten 7, 8 aus einem elektrisch leitfähigen und thermisch leitfähigen Material wird zusätzlich eine elektrisch isolierende Zwischenschicht 7-3, 8-3 benötigt, die beispielsweise aus einem Kunststoff, beispielsweise Epoxidharz oder einem keramischen Material, beispielsweise Aluminiumoxid, bestehen kann. Die Kontaktelemente 4-1, 4-2 bzw. 5-1, 5-2 bestehen beispielsweise aus einem leitfähigen Elastomer, insbesondere Silikon. Die drei Schichten 7-1, 7-2, 7-3 der ersten Leiterplatte 7 und alle drei Schichten 8-1, 8-2, 8-3 der zweiten Leiterplatte 8 bestehen aus einem thermisch leitfähigen Material mit einer Leitfähigkeit von vorzugsweise mehr als 10 Watt pro KelvinMeter. Bei einer möglichen Ausführungsform werden die Energiespeicherzellen 1-i und deren flexible Kontaktelemente 4, 5 zwischen die beiden Leiterplatten 7, 8 geklemmt und dabei in der Tragstruktur 6 gehalten. Die mechanische Kraft, mit der die Energiespeicherzellen 1-i und die Kontaktelemente 4, 5 dabei eingeklemmt werden, kann vorzugsweise durch eine vordefinierte mechanische Vorspannung erzielt werden. Die beiden Leiterplatten 7, 8 können bei einer möglichen Ausführungsform durch eine geeignete mechanische Verbindung, beispielsweise durch Verschraubung oder Kleben, in der vorgespannten Position relativ zu den Energiespeicherzellen gehalten werden. Wie in Fig. 2 dargestellt, werden die Energiespeicherzellen, die sich an der Tragstruktur 6 befinden, an ihren beiden Polen über die flachen Kontaktelemente mit den beiden Leiterplatten 7, 8 elektrisch und thermisch verbunden. Die Schichten 7-1, 8-1 der beiden Leiterplatten 7, 8 sind für die Stromführung zwischen den einzelnen Energiespeicherzellen 1-i in dem Energiespeicherverbund vorgesehen. Das Basismaterial der Leiterplatten 7, 8 besteht aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit ähnlich oder vergleichbar der Wärmeleitfähigkeit von Metall. Wenn das Basismaterial der beiden Leiterplatten 7, 8 elektrisch leitfähig ist, verfügt die Leiterplatte über eine elektrisch isolierende Zwischenschicht 7-3, 8-3, wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 dargestellt. Über das Kontaktelement und die beiden Leiterplatten 7, 8 kann die Wärme mit einem geringen Wärmewiderstand aus dem Inneren der Energiespeicherzellen 1-i über die verschiedenen Schichten der Leiterplatten 7-8 geführt und nach außen an die Umgebung oder ein Kühlmedium, beispielsweise Luft oder Wasser, abgegeben werden. Der stirnseitige Wärmestrom Q• s fließt dabei vorzugsweise an den Stirnflächen der Energiespeicherzellen 1-1, 1-2 ab, wie in Fig. 2 dargestellt. Dadurch fließt auch Wärme aus dem Inneren bzw. Kern der Energiespeicherzellen 1-i ab, sodass der Temperaturgradient zwischen dem Inneren der Energiespeicherzelle und der Mantelfläche der Energiespeicherzelle minimiert wird. Die Minimierung des Temperaturgradienten führt dazu, dass die verschiedenen Energiespeicherzellen 1-1, 1-2 innerhalb des Energiespeichers weniger ungleichmäßig altern. Neben dem stirnseitigen Abfluss des Wärmestroms Q• s erfolgt vorzugsweise zusätzlich ein lateraler Wärmeabfluss aus den Energiespeicherzellen 1-i über deren Mantel an die wärmeleitfähige Tragstruktur 6, der als Wärmestrom Q• m in Fig. 2 angedeutet ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Anordnung erfolgt somit einerseits ein stirnseitiger Wärmeabfluss Q• s über die thermisch leitfähigen Kontaktelemente 4, 5 sowie ein Wärmeabfluss über die Mantelflächen der Energiespeicherzellen 1-i in die Tragstruktur 6 als Wärmestrom Q• m. Insgesamt wird hierdurch die Menge der abgeführten Wärme durch die beiden verschiedenen Wärmeströme Q• s, Q• m erhöht. Dies bewirkt, dass die Energiespeicherzellen innerhalb des Energiespeichers effizienter gekühlt werden. Dadurch kann auch die Packungsdichte der Energiespeicherzellen 1-i innerhalb eines elektrischen Energiespeichers deutlich erhöht werden. Die Kontaktflächen an den Stirnseiten der Energiespeicherzellen 1-i können bei einer möglichen Ausführungsform der gesamten Fläche der Stirnseite der jeweiligen Energiespeicherzelle 1-i entsprechen, sodass die Kontaktfläche sowohl für den elektrischen Strom I als auch für den Wärmestrom Q• s groß ist und der entsprechende elektrische thermische Widerstand klein ist.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die beiden äußeren Schichten 7-2, 8-2 der beiden Leiterplatten 7, 8 wesentlich dicker als die beiden übrigen Schichten der jeweiligen Leiterplatten 7,8 . Bei einer möglichen Ausführungsform sind die Außenschichten 7-2, 8-2 der beiden Leiterplatten 7, 8 mindestens 1 mm dick. Dies erlaubt es bei einer möglichen Ausführungsform an den Außenflächen der Außenschichten 7-2, 8-2 jeweils Ausnehmungen oder Rillen vorzusehen, um die Außenfläche beider Leiterplatten 7, 8 zu erhöhen. Die vorgesehenen Profilierungen können wie Kühlrippen wirken. Hierdurch wird der Wärmewiderstand der beiden thermisch leitfähigen Schichten 8-2, 7-2 vermindert, sodass der Wärmestrom Q• s zunimmt und somit mehr Wärme aus den Energiespeicherzellen 1-i abgeführt werden kann.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform können in den thermisch leitfähigen Schichten 7-2, 8-2 auch Kühlkanäle vorgesehen werden, durch die ein Kühlmedium zur zusätzlichen Abkühlung fließt, sodass der thermische Widerstand der beiden Schichten 7-2, 8-2 zusätzlich vermindert wird.
  • Wie man in Fig. 2 erkennen kann, wird der elektrische Strom I von dem stirnseitigen Wärmestrom Q• s durch die Leiterplatten mithilfe der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht 7-1 bzw. 8-1 aufgetrennt, wobei der elektrische Strom I lateral zu einem elektrischen Kontakt abgeführt wird. An einer der beiden elektrisch und thermisch leitfähigen Schichten 7-1 bzw. 8-1 der beiden Leiterplatten 7, 8 sind jeweils elektrische Sicherungselemente 9-1, 9-2 vorgesehen, wie in Fig. 2 dargestellt. Bei einer möglichen Ausführungsform sind elektrische Sicherungselemente nur an einer der beiden Leiterplatten 7, 8 vorgesehen, wie bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform können elektrische Sicherungselemente auch auf der unteren Leiterplatte 8 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht 8-1 vorgesehen sein. Die elektrischen Sicherungselemente 9-1, 9-2 bestehen beispielsweise aus dünnen Bonding-Drähten, einer Schmelzsicherung, einem PTC-Element, einem Halbleiterelement, oder einer sonstigen elektrischen Absicherung gegen Überströme. Die elektrischen Sicherungselemente 9-i können optional vorgesehen werden. Bei einer möglichen Ausführungsform ist für jede Energiespeicherzelle 1-i des Energiespeichers jeweils ein eigenes Sicherungselement vorgesehen. Alternativ können die Sicherungselemente 9-i auch für eine Gruppe von Energiespeicherzellen vorgesehen sein, beispielsweise eine Gruppe von parallel verschalteten Energiespeicherzellen. Die Sicherungselemente 9-i können beispielsweise aus PTC-Elementen bestehen. Diese trennen die elektrische Verbindung bei Überstrom. Eine weitere Möglichkeit ist die Absicherung der Energiespeicherzellen 1-i gegenüber zu hohen elektrischen Strömen I mithilfe von dünnen Bonding-Drähten. Diese Drähte schmelzen bei einem zu hohen Strom und lösen somit die elektrische Kontaktierung der jeweiligen Energiespeicherzelle innerhalb des Energiespeicherverbunds für diesen Notfall. Weiterhin können die elektrischen Sicherungselemente durch SMD-Bauteile gebildet sein, die auf die elektrisch und thermisch leitfähige Schicht 7-1 der Leiterplatte 7 aufgelötet werden. Weiterhin kann das elektrische Sicherungselement auch durch einen auf der Schicht 7-1 vorgesehenen eingeätzten Stromsteg gebildet werden. Dieser erhitzt sich bei zu hoher Strombelastung stark, was zum Aufschmelzen des Materials und einer Unterbrechung des elektrischen Kontaktes führt. Dieser Vorgang ist irreversibel, vergleichbar einer handelsüblichen Schmelzsicherung.
  • Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform weist der Energiespeicher einen Verbund von Energiespeicherzellen 1-i auf, wobei die elektrische Verbindung der Energiespeicherzellen 1-i untereinander über eine Leiterplatte hergestellt wird, die mindestens eine elektrisch leitende Schicht und mindestens eine nicht leitende Schicht aufweist. Bei einer weiteren Ausführungsform wird die elektrische Verbindung der Energiespeicherzellen 1-i untereinander über Verbindungselemente aus Metall hergestellt, die in Kontakt mit den Kontaktelementen bzw. Anbindungselementen stehen, welche aus einem elastischen Kontaktierungsmaterial bestehen.
  • Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform können bei einer Variante die Leiterplatten in ihren Leiterbahnen Verjüngungen aufweisen. Diese Verjüngungen werden ab einem gewissen Strom, der durch die jeweilige Verjüngung fließt, zerstört, sodass der elektrische Kontakt unterbrochen wird.
  • Ein Vorteil des Einsatzes von elastischen Kontaktelementen bzw. Anbindungselementen besteht darin, dass deren elastisches Kontaktierungsmaterial in das Energiespeichersystem von außen eingebrachte mechanische Schwingungen dämpft und die einzelnen Energiespeicherzellen geringere Beschleunigungen erfahren.
  • Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform liegen die beiden Pole 2-i, 3-i der Energiespeicherzelle 1-i einander gegenüber. Bei einer anderen Ausführungsform können die beiden Pole 2-i, 3-i der Energiespeicherzelle 1-i auf einer Seite liegen.
  • Fig. 3 zeigt ein elektrisches und thermisches Ersatzschaltbild zur Darstellung eines elektrischen Stromflusses und eines thermischen Wärmeflusses ausgehend von einer Energiespeicherzelle 1-i an die Umgebung. Der Wärmestrom Q• m fließt, wie in Fig. 3 dargestellt, über die Mantelfläche der Energiespeicherzelle 1-i ab. Der Wärmestrom Q• s fließt über die Stirnfläche der Energiespeicherzelle 1-i über das thermisch leitfähige Kontaktelement 4 sowie die thermisch leitfähigen Schichten 7-1, 7-3, 7-2 der oberen Leiterplatte 7 an die Umgebung ab. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel stellt Rs einen thermischen Übergangswiderstand und Ru einen elektrischen Übergangswiderstand Rth dar und stellt den thermischen Widerstand des Kontaktelementes 4 bzw. einer Schicht 7-1, 7-2, 7-3 der oberen Leiterplatte 7 dar. Wie man aus Fig. 3 erkennen kann, fließt elektrischer Strom I der Energiespeicherzelle von der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht 7-1 der oberen Leiterplatte 7 ab und wird dort von dem Wärmestrom Q• s getrennt. Mithilfe der erfindungsgemäßen Anordnung wird der Wärmestrom Q• m der aus der elektrischen Speicherzelle 1-i über deren Mantelfläche oder deren Stirnfläche fließt, bei einem vorgegebenen elektrischen Strom aus der Zelle maximiert, um die thermische Belastung der jeweiligen Energiespeicherzelle 1-i möglichst gering zu halten. Wie man in Fig. 3 erkennen kann, wird der Wärmestrom Q• entweder über die Mantelfläche M oder über die Stirnfläche S oder über beide, d.h. sowohl Mantelfläche und Stirnfläche, bei der erfindungsgemäßen Anordnung abgeführt. Die Summe der thermischen Übergangswiderstände Rs und der thermischen Widerstände Rth wird zur Maximierung des Wärmestromes vorzugsweise minimiert. Der Hauptteil der thermischen Energie entsteht im Inneren der Energiespeicherzelle 1-i. Durch Wärmeabfuhr über die Stirnflächen bzw. Pole der Energiespeicherzellen 1-i kann die Wärme aus dem Inneren der Energiespeicherzelle 1-i besser nach außen geführt werden, wenn die Summe der thermischen Widerstände geringer ist, d.h. die Summe der thermischen Widerstände vom Inneren zum Pol bzw. der Stirnfläche der Energiespeicherzelle geringer ist als der thermische Widerstand vom Inneren der Energiespeicherzelle zu deren Mantelfläche.
  • Die Fig. 7A, 7B, 7C zeigen verschiedene Ausführungsvarianten von Energiespeicherzellen 1-i. Fig. 7A zeigt eine zylindrische Energiespeicherzelle 1-i mit zwei gegenüberliegenden Polen 2-i, 3-i. Fig. 7B zeigt eine prismatische bzw. quaderförmige Energiespeicherzelle 1-i mit zwei Polen 2-i, 3-i auf einer Stirnfläche. Fig. 7C zeigt eine Energiespeicherzelle 1-i in Form einer Tasche bzw. Beutels, die relativ flach ausgebildet ist und die Pole 2-i, 3-i an einer Stirnseite hat.
  • Die Anbindungs- bzw. Kontaktelemente 4-i, 5-i können auch für die Verbindung und Anbindung von zwei stromführenden Leitern verwendet werden, wobei Ströme mit einer Stromdichte von mehr als 0,05 A/mm2 übertragen werden können. Somit eignet sich ein Anbindungselement auch zur Übertragung großer elektrischer Leistungen, beispielsweise auch in einem Stecksystem oder in einer Lüsterklemme. Die Erfindung schafft somit auch ein Verbindungssystem zur Verbindung zweier elektrischer Leiter, wobei sich zwischen den beiden elektrischen Leitern ein elektrisch leitendes Elastomer befindet. Die beiden elektrischen Leiter können dabei aus unterschiedlichen Materialien bestehen, beispielsweise aus einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung.
  • Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 10, die einen Energiespeicher 11 enthält. Der Energiespeicher 11 besteht aus mehreren seriell verschalteten Energiespeicherzellengruppen 12 A, 12 B, die jeweils aus mehreren parallel verschalteten Energiespeicherzellen 1-i bestehen. Die Energiespeicherzellengruppen 12A, 12B weisen jeweils drei parallel verschaltete Energiespeicherzellen 1-i auf, wie in Fig. 4 dargestellt. So weist die erste Energiespeicherzellengruppe 12A parallel verschaltete Energiespeicherzellen 1-1a, 1-2a, 1-3a auf und die zweite Energiespeicherzellengruppe 12B parallel verschaltete Energiespeicherzellen 1-1b, 1-2b, 1-3b. Die Anzahl der parallel verschalteten Energiespeicherzellen 1-i innerhalb einer Energiespeicherzellengruppe kann variieren. Eine Energiespeicherzellengruppe kann mehr als zwei Energiespeicherzellen umfassen. Weiterhin kann die Anzahl der seriell verschalteten Energiespeicherzellengruppen 12A, 12B variieren, wobei beispielsweise mehr als zwei Energiespeicherzellengruppen seriell hintereinander geschaltet werden können. Die Pole der Energiespeicherzellen 1-i sind jeweils über ein elektrisch und thermisch leitfähiges Kontaktelement mit einer Leiterplatte 7, 8 verbunden, die zur Trennung eines von der jeweiligen Energiespeicherzelle 1-i über das Kontaktelement erhaltenen elektrischen Stromes I von einem über das Kontaktelement erhaltenen Wärmestrom Q• vorgesehen ist. Die parallel verschalteten Energiespeicherzellengruppen 12A, 12B des Energiespeichers 11 sind jeweils über Senseleitungen, die auf der Leiterplatte vorgesehen sind, mit einer elektronischen Überwachungseinheit 13 verbunden. Bei dem in Fig. 4 dargestellten einfachen Ausführungsbeispiel sind zwei Energiespeicherzellengruppen 12A, 12B des Energiespeichers 11 über drei Senseleitungen 14-1, 14-2, 14-3 mit der elektronischen Überwachungseinheit 13 verbunden, die ein Batteriemanagementsystem BMS darstellt. Die Anzahl der Senseleitungen 14-i entspricht der Anzahl von seriell verschalteten Energiespeicherzellengruppen plus 1. Die Senseleitungen 14-i verlaufen innerhalb der Leiterplatten 7, 8, zwischen denen Energiespeicherzellen 1-i einer Energiespeicherzellengruppe geklemmt sind. Durch den Verlauf der Senseleitungen innerhalb der Leiterplatten 7, 8 ist keine separate Kontaktierung der Senseleitungen 14-i mit den Energiespeicherzellen und eine Führung entsprechender Sensekabel notwendig. Dadurch kann der Aufwand zur Herstellung der Energiespeichervorrichtung 10, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, erheblich vermindert werden. Die Führung der Senseleitungen 14-i innerhalb der Leiterplatten 7, 8 kann durch eine entsprechende Gestaltung beim Platinenlayout gewährleistet werden. Dadurch, dass die Zellkontaktierung auf einer Leiterplatte erfolgt, können die Senseleitungen einfach beim Platinenlayout berücksichtigt werden. Dies bedeutet, dass eine Kontaktierung von Sens- bzw. Sensorleitungen nicht notwendig ist und direkt über die Leiterplatte 7, 8 die Sensorleitung 14-i zu der elektrischen Überwachungseinheit 13 geführt werden kann.
    Gleiches gilt für die Sensorleitungen wie beispielsweise für Leitungen von Temperatursensoren.
    Die elektrische Energiespeichervorrichtung 10 weist Anschlussklemmen 15-1, 15-2 zum Anschluss einer elektrischen Last 16 auf. Bei der Last 16 kann es sich beispielsweise um einen Elektromotor oder einen Wechselrichter eines Fahrzeuges handeln. Für jede Energiespeicherzelle 1-i der Energiespeichervorrichtung 10 kann ein eigenes elektrisches Sicherungselement zur Überstromabsicherung beispielsweise in der ersten Schicht der Leiterplatten 7, 8 vorgesehen sein. Dadurch können weitere gefährliche Prozesse, die bis zum Brennen einer Zelle führen können, die sich in einem Fehlerfall einer Energiespeicherzelle ergibt, zuverlässig verhindert werden. Zum Beispiel ein interner Kurzschluss innerhalb einer Energiespeicherzelle führt dazu, dass das elektrische Sicherungselement den Stromfluss unterbricht, sodass zuverlässig verhindert wird, dass dazu parallel verschaltete Energiespeicherzellen über die defekte Energiespeicherzelle kurzgeschlossen werden. Dadurch wird eine Kettenreaktion verhindert, die sogar zu einem Brand der Energiespeichervorrichtung führen könnte. Zudem wird die Funktionsfähigkeit des Energiespeichers erhalten.
  • Die Kontaktierung und Aufteilung der Energiespeicherzellen 1-i in parallele und serielle Stränge innerhalb des Energiespeichers 11 erfolgt mithilfe der Leiterplatten 7, 8, die zudem als Gehäuse und zusätzlich als Kühlelemente dienen. Auf der Kontaktierungsplatine kann für jede Energiespeicherzelle 1-i einzeln ein Sicherungselement vorgesehen werden, das wie eine Art elektrischer Sicherung für jede einzelne Energiespeicherzelle 1-i dient. Tritt in einer Energiespeicherzelle 1-i ein Fehler, beispielsweise ein elektrischer Kurzschluss, auf, löst dieses Sicherungselement aus und schaltet die betroffene Energiespeicherzelle weg. Dadurch bleibt die Energiespeichervorrichtung 10, beispielsweise ein Akkumodul, stets in einem sicheren Betriebszustand.
  • Die elektronische Überwachungseinheit 13 kann über die Senseleitungen zudem Spannungen der parallel verschalteten Energiespeicherzellen 1-i einer Energiespeicherzellengruppe 12A, 12B kontinuierlich überwachen und den Ausfall einer Energiespeicherzelle, beispielsweise durch internen Kurzschluss, anhand eines plötzlichen Spannungseinbruchs an der Senseleitung 14-i detektieren und entsprechend reagieren.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform sind zusätzlich Schaltelemente in dem Energiespeicher 11 vorgesehen, die durch die elektronische Überwachungseinheit 13 im Reaktion auf detektierte Fehler geschaltet werden. Bei dieser Ausführungsform können neben den elektrischen Sicherungselementen 9-i Schalter geschaltet werden, sodass die fehlerhaften Energiespeicherzellen 1-i deaktiviert werden, sobald sie von einem Fehler betroffen sind.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform wird die von den Energiespeicherzellen oder einer Energiespeicherzellengruppe des Energiespeichers 12 abgegebene Wärme von mindestens einem zugehörigen Temperatursensor erfasst. Der Temperatursensor kann ebenfalls an den Leiterplatten 7, 8 vorgesehen sein. Der Temperatursensor meldet die erfasste Temperatur der jeweiligen Energiespeicherzelle bzw. Energiespeicherzellengruppe der elektronischen Überwachungseinheit 13. Da bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Wärme der Energiespeicherzellen 1-i über die Pole abgeführt wird, können diese Temperatursensoren in der Kontaktierungsplatine bzw. Leiterplatte vorgesehen werden und müssen nicht im Inneren des Akkumoduls bzw. Energiespeichers untergebracht werden. Dadurch wird der Fertigungsaufwand zusätzlich vermindert.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 10 können zusätzlich Ausgleichswiderstände zur Umwandlung von überschüssiger Ladung der Energiespeicherzellen 1-i des Energiespeichers 11 in Wärme vorgesehen sein. Die Ausgleichswiderstände geben die von ihnen erzeugte Wärme an die Leiterplatten 7, 8 ab und werden über die Überwachungseinheit 13 angesteuert. Die Ausgleichswiderstände sind zum Ausgleichen bzw. Balancen der einzelnen Energiespeicherzellen hinsichtlich unterschiedlicher elektrischer Ladungen vorgesehen. Die Belastungsunterschiede sowie eine unterschiedliche Alterung der Energiespeicherzelle n 1-i können innerhalb des Energiespeichers 11 dazu führen, dass die in Serie geschalteten Energiespeicherzellen 1-i unterschiedliche Verluste aufweisen. Dadurch variiert die elektrische Ladung, die für die einzelnen seriell geschalteten Zellen zur Verfügung gestellt werden kann. Die Ladungsunterschiede werden mittels eines sogenannten Balancing mithilfe von Ausgleichswiderständen ausgeglichen. Dabei wird überschüssige Ladung von einzelnen Energiespeicherzellen 1-i über Ausgleichswiderstände in Wärme umgewandelt. Da bei herkömmlichen Energiespeichern die Wärmeabfuhr nur sehr begrenzt erfolgen kann, kann es vorkommen, dass bei herkömmlichen Energiespeichern der Balancing- bzw. Ausgleichsvorgang der aktuellen Belastung des Energiespeichers nicht nachkommt und dadurch die Leistungsabgabe bzw. Leistungsaufnahme gedrosselt werden muss.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Energiespeicher 11 ist die Überwachungseinheit vorzugsweise direkt an dem Energiespeicher 11 angebracht. Die Wärme der Ausgleichswiderstände kann damit einfach an die Kontaktierungs- bzw. Leiterplatine 7, 8 abgegeben werden. Dadurch wird die Balancing-Leistung bei der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 10 deutlich erhöht und hat dadurch keinen Einfluss auf die Dynamik der elektrischen Belastung der Energiespeichervorrichtung 10.
  • Die von den Ausgleichswiderständen abgegebene Wärme wird vorzugsweise über die aus wärmeleitfähigen Schichten bestehenden Leiterplatten 7, 8 gleichmäßig zur Vorheizung des Energiespeichers 11 verteilt. Die Vorheizung erfolgt vorzugsweise bei niedrigen Umgebungstemperaturen. Bei tiefen Temperaturen der Umgebung nimmt die entnehmbare Leistung und Energie der Energiespeicherzellen 1-i ab. Daher wird bei dieser bevorzugten Ausführungsform bei tiefen Temperaturen der Energiespeicher 11 vorgewärmt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Energiespeichern, bei denen die Energiespeicher durch eine eigene Heizung vorgewärmt werden, erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Energiespeicher 11 die Vorheizung mittels der Ausgleichswiderstände, die für den Ladungsausgleich vorgesehen sind. Da die Temperaturverteilung auf die Kontaktierungs- bzw. Leiterplatten 7, 8 sehr gut ist, wird die erzeugte Wärme der Balancing- bzw. Ausgleichswiderstände gut auf alle Energiespeicherzellen 1-i des Energiespeichers 11 verteilt. Damit wird der Energiespeicher 11 insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen automatisch vorgeheizt, wodurch die entnehmbare Leistung und Energie der Energiespeicherzellen 1-i erhöht wird.
  • Fig. 5A, 5B zeigt eine mögliche Polanordnung auf einer Leiterplatte, die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. Energiespeichervorrichtung eingesetzt werden können.
  • Fig. 5A zeigt beispielsweise die Polanordnung einer oberen Leiterplatte 7 auf der den Energiespeicherzellen 1-i zugewandten Seite.
  • Fig. 5B zeigt ein entsprechende Polanordnung der unteren Leiterplatte 8 auf der den Energiespeicherzellen 1-i zugewandten Seite.
  • Durch eine geeignete Polanordnung kann eine gleichmäßige Wärmeverteilung in den eventuell vorhandenen Parallelschaltungen sowie zwischen den Leiterplatten 7,8 unterstützt werden.
  • Die Figuren 6A, 6B zeigen ein mögliches Platinenlayout der Leiterplatten für die Polanordnung mit darin integrierten Sens- bzw. Sensorleitungen zum Anschluss an die elektronische Überwachungseinheit 13 sowie zum Anschluss von Temperatursensoren. Zusätzlich sind Bohrungen für Schrauben zur Montage des elektrischen Energiespeichers 11 dargestellt.
  • Mit der erfindungsgemäßen Kontaktierungsvorrichtung kann eine optimale lange Lebensdauer des Energiespeichers 11 und eine hohe Effizienz bei der Nutzung des Energiespeichers 11 erreicht werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, die Temperatur des gesamten Energiespeichers 11 in einem optimalen Temperaturbereich zu halten und die Temperaturgradienten innerhalb der Energiespeicherzellen 1-i zu minimieren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt eine thermische Anbindung von Energiespeicherzellen bzw. Batteriezellen in einem Energiespeicherverbund, wobei ein Wärmestrom und ein elektrischer Strom von den Energiespeicherzellen 1-i über elektrisch leitfähige Kontaktflächen der Batteriezellen nach außen geführt wird. Die Sicherung der Energiespeicherzellen 1-i gegen elektrische Überströme erfolgt mithilfe von Sicherungselementen, über die kein Wärmestromfluss erfolgt. Über den Pol der Energiespeicherzelle wird Wärme aus dem Inneren der Energiespeicherzelle 1-i abgeleitet. Darüber hinaus kann Wärme von der Außenhaut bzw. dem Mantel der Energiespeicherzelle 1-i abgeleitet werden. Hierdurch wird eine effiziente Kühlung realisiert, wobei zusätzlich ein niedriger Temperaturgradient vom Inneren zum Äußeren der Energiespeicherzelle 1-i erreicht wird. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Kontaktierungsvorrichtung besteht darin, dass sie eine große Kontaktfläche bietet und der elektrische und thermische Widerstand reduziert wird. Die Flexibilität der Kontaktelemente dient dazu, dass mechanische Schwingungen gedämpft werden. Zudem können Materialunebenheiten ausgeglichen und der Montageprozess vereinfacht werden. Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn die erfindungsgemäße elektrische Energiespeichervorrichtung 10 innerhalb eines Fahrzeuges vorgesehen wird. Diese Form der Kontaktierung kann im Gegensatz zu einer starren Verbindung der Kontaktierung auch nicht durch Schwingungen beschädigt werden.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform kann die elektrische Überwachungseinheit 13 mithilfe der Senseleitungen 14-i den aufgetretenen Fehler bzw. die fehlerhafte Energiespeicherzelle 1-i einer höheren Softwareschicht oder einem Fahrer melden. Die erfindungsgemäße Anordnung bzw. Kontaktierungsvorrichtung stellt ein löt- und schweißfreies Kontaktierungskonzept für multifunktionale Leiterplatten dar, so dass der Fertigungsaufwand bei der Herstellung von Energiespeichern 11 signifikant vermindert wird. Die elastischen Kontaktelemente werden sandwichartig mit den Leiterplatten 7, 8 oberflächenschlüssig verbunden. Über die verschiedenen Schichten der Leiterplatten 7, 8 kann die Stromführung und ein Abwärmetransport erfolgen. Vorteilhafterweise trägt dieser Materialverbund auch zur verbesserten Statik des Energiespeicherzellenpacks bei und wirkt sich zudem positiv auf die Packungsdichte aus.
  • Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kontaktierungsvorrichtung kann ein aufwendiges Zusammenschalten vieler vergleichsweise kleiner Energiespeicherzellen zu Energiespeicherverbünden entfallen, was sich insbesondere aufgrund der niedrigen Entladeströme bei kleineren Energiespeicherzellen vorteilhaft auf die Brandsicherheit des Energiespeichers und somit des entsprechenden Elektrofahrzeugs auswirkt. Durch die erhöhte Lebensdauer und den höheren Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers 11 werden die elektrischen Verluste gering gehalten und zudem die Temperatur des Energiespeichers 11 in einem idealen Temperaturarbeitsbereich gehalten. Die Kontaktflächen an den negativen und positiven Polen der Energiespeicherzelle 1-i gewährleisten eine effiziente Ableitung von Wärme und erlauben eine verlustarme elektrische und thermische Energieübertragung. An dem Energiespeicher 11 kann ein Elektromotor eines Fahrzeugs angeschlossen sein, dessen Reichweite aufgrund der hohen Effizienz des Energiespeichers 11 hoch ist.
  • Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung 10 kann in verschiedene Fahrzeuge oder tragbare Geräte eingebaut werden. Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung 10 kann beispielsweise auch als Energiequelle für eine tragbare Vorrichtung, insbesondere für einen tragbaren Computer oder mobiles Endgerät, dienen, insbesondere für ein mobiles Telefon oder dergleichen.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 10 ist die Energiespeichervorrichtung 10 modular aufgebaut, sodass bei dieser Ausführungsform verschiedene Energiespeicherzellengruppen 12A, 12B von parallel verschalteten Energiespeicherzellen modular zusammengesetzt werden können. Weiterhin können bei einer möglichen Ausführungsform mechanische Verbindungen an den Leiterplatten 7, 8 vorgesehen sein und ein derartiges modulares Zusammensetzen der Energiespeicherzellengruppen 12A, 12B erlauben.

Claims (14)

  1. Energiespeichervorrichtung (10), die einen Energiespeicher (11) enthält, wobei Energiespeicherzellen (1-i) des Energiespeichers (11) jeweils an ihren Polen (2-i, 3-i) über ein elektrisch und thermisch leitfähiges flaches Kontaktelement (4-i, 5-i) aus einem elastischen Material mit einer Leiterplatte (7, 8) verbunden sind, die zur Trennung eines von der jeweiligen Energiespeicherzelle (1-i) über das Kontaktelement (2-i, 3-i) fließenden elektrischen Stromes (I) von einem über das Kontaktelement (2-i, 3-i) erhaltenen Wärmestrom (Q• s) vorgesehen ist, wobei das flache, aus einem elastischen Material bestehende Kontaktelement (4-i, 5-i) seine elastische Verformung aus der Änderung einer Längenausdehnung in Richtung senkrecht zu den Kontaktoberflächen der Pole (2-i, 3-i) bezieht,
    wobei die Leiterplatten (7, 8) jeweils eine elektrisch leitende und wärmeleitende erste Schicht (7-1, 8-1) aufweisen, die an dem Kontaktelement (4-i, 5-i) anliegt,
    wobei die erste Schicht (7-1, 8-1) der Leiterplatte (7, 8) einen über das Kontaktelement (4-i, 5-i) fließenden elektrischen Strom (I) lateral abführt und einen über das flache Kontaktelement (4-i, 5-i) fließenden Wärmestrom (Q•s) an eine zweite wärmeleitende Schicht (7-2, 8-2) der Leiterplatte (7, 8) überträgt, welche den von der ersten Schicht (7-1, 8-1) der Leiterplatte (7, 8) empfangenen Wärmestrom (Q•s) an eine Umgebung oder an ein Kühlmedium abgibt, und
    wobei die zweite Schicht (7-2, 8-2) der Leiterplatte (7, 8) elektrisch leitfähig ist und durch eine elektrisch isolierende Zwischenschicht (7-3, 8-3) der Leiterplatte (7, 8) von der elektrisch leitfähigen ersten Schicht (7-1, 8-1) der Leiterplatte (7, 8) getrennt ist,
    wobei die elektrisch isolierende Zwischenschicht (7-3, 8-3) der Leiterplatte (7, 8) aus einem thermisch leitfähigen Material besteht,
    wobei das an beiden Polen (2-i, 3-i) der elektrischen Energiespeicherzelle (1-i) jeweils vorgesehene flache Kontaktelement (4-i, 5-i) zwischen dem jeweiligen Pol (2-i, 3-i) der elektrischen Energiespeicherzelle (1-i) und der jeweiligen Leiterplatte (7, 8) vorgesehen ist,
    wobei das elastische Material der flachen Kontaktelemente (4-i, 5-i) ein elastisches Kontaktierungsmaterial ist, das aus einer Mischung aus Elastomer und Metallpartikeln oder einem leitfähigen Elastomer besteht und zwei elektrische Leiter elektrisch und thermisch verbindet, ohne dass sich diese elektrischen Leiter berühren, wobei die Oberfläche des jeweiligen Pols (2-i, 3-i) oder eines elektrischen Leiters ganz oder teilweise vor Kontakt mit Feuchtigkeit geschützt wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    wobei die elektrischen Energiespeicherzellen (1-i) an ihren beiden Polen (2-i, 3-i) zwischen zwei Leiterplatten (7, 8) eingeklemmt sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei die elastischen flachen Kontaktelemente (4-i, 5-i) sandwichartig mit den Leiterplatten (7, 8) oberflächenschlüssig verbunden sind.
  4. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3,
    wobei die flachen Kontaktelemente (4-i, 5-i) fest mit der jeweiligen Energiespeicherzelle (1-i) oder mit der jeweiligen Leiterplatte (7, 8) fest verbunden sind.
  5. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3,
    wobei die flachen Kontaktelemente (4-i, 5-i) durch eine pastöse, aushärtende Masse gebildet sind, die in einem Zwischenraum zwischen der jeweiligen Energiespeicherzelle (1-i) und der jeweiligen Leiterplatte (7, 8) eingebracht wird.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5,
    wobei die elektrische und wärmeleitende erste Schicht (7-1, 8-1) der Leiterplatte (7, 8) aufgrund einer geeigneten Polanordnung auch eine laterale Wärmeabfuhr ermöglicht.
  7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6,
    wobei in oder auf der elektrisch und thermisch leitfähigen ersten Schicht (7-1, 8-1) der Leiterplatte (7, 8) elektrische Sicherungselemente (9-i) oder Verjüngungen zur Überstromabsicherung vorgesehen sind.
  8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7,
    wobei der elektrische Energiespeicher (11) mehrere Energiespeicherzellen (1-i) aufweist, die in einer Energiespeicherzellengruppe (12A, 12B) parallel verschaltet sind,
    wobei mehrere Energiespeicherzellengruppen (12A, 12B), die jeweils parallel verschaltete Energiespeicherzellen (1-i) aufweisen, seriell in dem Energiespeicher (11) verschaltet sind und wobei die Energiespeicherzellen (1-i) chemische oder physikalische Speichersysteme umfassen.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
    wobei die seriell verschalteten Energiespeicherzellengruppen (12A, 12B) des Energiespeichers (11) jeweils über Senseleitungen (14-i), die in den Leiterplatten (7, 8) vorgesehen sind, mit einer elektronischen Überwachungseinheit (13) verbunden sind, welche eine an der Energiespeicherzellengruppe (12A, 12B) des Energiespeichers (11) jeweils anliegende elektrische Spannung überwacht.
  10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 8 oder 9,
    wobei für jede Energiespeicherzellengruppe (12A, 12B) oder für jede einzelne Energiespeicherzelle (1-i) einer Energiespeicherzellengruppe (12A, 12B) ein elektrisches Sicherungselement (9-i) zur Strombegrenzung in oder auf der ersten Schicht (7-1, 8-1) der Leiterplatte (7, 8) vorgesehen ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
    wobei die von einer Energiespeicherzelle (1-i) oder von einer Energiespeicherzellengruppe (12A, 12B) des Energiespeichers (11) abgegebene Wärme von mindestens einem zugehörigen Temperatursensor erfasst wird, der an eine der Leiterplatten (7, 8) vorgesehen ist und die erfasste Temperatur über Sensorleitungen auf der Leiterplatte (7,8) an die elektronische Überwachungseinheit (13) des Energiespeichers (11) meldet.
  12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 11,
    wobei die Leitungen für den Nutzstrom, die Sensorleitungen und die Senseleitungen (14-i) über ein und dieselbe Leiterplatte (7, 8) geführt werden.
  13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 12,
    wobei Ausgleichswiderstände zur Umwandlung von überschüssiger Ladung von Energiespeicherzellen (1-i) des Energiespeichers (11) in Wärme vorgesehen sind und die von ihnen erzeugte Wärme über das elektrisch und thermisch leitfähige Kontaktelemente(4-i, 5-i) an die Leiterplatten (7, 8) abgeben,
    wobei die von den Ausgleichswiderständen abgegebene Wärme über die aus wärmeleitfähigen Schichten bestehenden Leiterplatten (7, 8) gleichmäßig zur Vorheizung des Energiespeichers (11), insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen, verteilt wird.
  14. Fahrzeug mit einer Energiespeichervorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 13.
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